Лизины , также известные как эндолизины или гидролазы муреина , представляют собой гидролитические ферменты, продуцируемые бактериофагами для расщепления клеточной стенки хозяина на заключительной стадии литического цикла . Лизины - это высокоразвитые ферменты, которые способны воздействовать на одну из пяти связей в пептидогликане (муреине), основном компоненте стенок бактериальных клеток, что позволяет высвобождать вирионы потомства из лизированной клетки. Археи, содержащие клеточную стенку, также лизируются специализированными лизинами, расщепляющими псевдомуреин , [2]в то время как большинство вирусов архей используют альтернативные механизмы. [3] Точно так же не все бактериофаги синтезируют лизины: некоторые небольшие одноцепочечные ДНК- и РНК-фаги продуцируют мембранные белки, которые активируют автолитические механизмы хозяина, такие как автолизины . [4]
Лизоцимоподобный фаговый лизин | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Идентификаторы | ||||||||
ЕС нет. | 3.2.1.17 | |||||||
№ CAS | 9001-63-2 | |||||||
Базы данных | ||||||||
IntEnz | Просмотр IntEnz | |||||||
BRENDA | BRENDA запись | |||||||
ExPASy | Просмотр NiceZyme | |||||||
КЕГГ | Запись в KEGG | |||||||
MetaCyc | метаболический путь | |||||||
ПРИАМ | профиль | |||||||
Структуры PDB | RCSB PDB PDBe PDBsum | |||||||
Генная онтология | Amigo / QuickGO | |||||||
|
Лизины используются в качестве антибактериальных средств из-за их высокой эффективности и специфичности по сравнению с антибиотиками , которые подвержены устойчивости к бактериям. [5]
Состав
Двухцепочечной ДНК фага lysins , как правило, лежат в пределах от 25 до 40 K Da диапазона с точки зрения размера. Заметным исключением является эндолизин стрептококка PlyC, который составляет 114 кДа. PlyC является не только самым большим и наиболее мощным лизином, но и уникальной структурой, поскольку он состоит из двух разных генных продуктов, PlyCA и PlyCB, с соотношением восьми субъединиц PlyCB для каждого PlyCA в его активной конформации. [6]
Все остальные лизины являются мономерными и содержат два домена, разделенных короткой линкерной областью. Для лизинов грамположительных бактерий N-концевой домен катализирует гидролиз пептидогликана, тогда как C-концевой домен связывается с субстратом клеточной стенки.
Каталитический домен
Каталитический домен отвечает за разрыв пептидогликановых связей. Функционально можно выделить пять типов каталитического домена лизина:
- Эндо-β-N-ацетилглюкозаминидаза ( Эндогликозидаза H , EC 3.2.1.96 )
- N-ацетилмурамидаза ( лизоцимоподобная , EC 3.2.1.17 )
- Эндопептидаза
- N-ацетилмурамоил-L-аланинамидаза (Т7-подобный, EC 3.5.1.28 )
- γ-D-глутаминил-L- лизинэндопептидаза ( EC 3.4.14.13 )
Пептидогликан состоит из сшитых аминокислот и сахаров, которые образуют чередующиеся аминосахара: N-ацетилглюкозамин (NAG) и N-ацетилмурамовая кислота (NAM). Лизины эндо-β-N-ацетилглюкозаминидазы расщепляют NAG, тогда как лизины N-ацетилмурамидазы (лизиноподобные лизины) расщепляют NAM. Лизины эндопептидазы расщепляют любую из пептидных связей между аминокислотами, тогда как лизины N-ацетилмурамоил-1-аланинамидазы (или просто лизины амидазы) гидролизуют амидную связь между сахаром и аминокислотными фрагментами. Наконец, недавно обнаруженные лизины эндопептидазы γ-d-глутамил-1-лизина расщепляют гамма-связь между остатками D-глутамина и L-лизина. Как и в случае с автолизинами , ранняя путаница в отношении специфичности расщепления этих отдельных ферментов привела к некоторому ошибочному отнесению названия «лизоцим» к белкам без этой активности. [7]
Обычно два или более различных каталитических домена связаны с одним клеточно-связывающим доменом. Это типично для многих стафилококковых лизинов, а также для стрептококкового холофермента PlyC, который содержит два каталитических домена. [6] [8] Каталитические домены высококонсервативны в лизинах фагов того же класса. [5]
Сотовый домен
Клеточно-связывающий домен (CBD) связывается со специфическим субстратом, обнаруженным в клеточной стенке бактерии-хозяина, обычно с углеводом. В отличие от каталитического домена, домен связывания клетки является вариабельным, что обеспечивает высокую специфичность и снижает устойчивость бактерий. [9] Связывание с субстратом клеточной стенки имеет тенденцию быть высоким, возможно, для того, чтобы изолировать на фрагментах клеточной стенки любой свободный фермент, который мог бы конкурировать с потомством фага от заражения соседних бактерий-хозяев. [10]
Эволюция
Было высказано предположение, что основным механизмом эволюции лизинов фагов является обмен модульных единиц, процесс, посредством которого различные каталитические и связывающие клетки домены меняются местами между лизинами, что привело бы к новым комбинациям как бактериального связывания, так и каталитического связывания. особенности. [11]
Способ действия
Каталитический домен лизина локально переваривает пептидогликан с высокой скоростью, что вызывает дыры в клеточной стенке. Поскольку сшитая клеточная стенка пептидогликана является единственным механизмом, который предотвращает спонтанный взрыв бактериальных клеток из-за высокого внутреннего давления (от 3 до 5 атмосфер), ферментативное расщепление лизинами необратимо вызывает гипотонический лизис. Теоретически, из-за каталитических свойств лизинов фага, одного фермента было бы достаточно, чтобы убить бактерию-хозяин путем расщепления необходимого количества связей, хотя это еще предстоит доказать. [5] Работа Loessner et al. Предполагает, что расщепление обычно достигается за счет совместного действия множества молекул лизина на локальную область клеточной стенки хозяина. [10] Высокое сродство связывания с субстратом клеточной стенки (близкое к связывающему сродство IgG к его субстрату) каждого лизина, по-видимому, является причиной того, что требуется несколько молекул, поскольку каждый лизин настолько плотно связывается с клеточной стенкой, что он не может разорвать достаточно связей, чтобы вызвать лизис сам по себе. [10]
Чтобы достичь клеточной стенки, лизины фагов должны пересечь клеточную мембрану. Однако у них обычно отсутствует сигнальный пептид , который позволил бы им это сделать. Чтобы решить эту проблему, фаговые вирусы синтезируют другой белок, называемый холином, который связывается с клеточной мембраной и делает в ней отверстия (отсюда и его название), позволяя лизинам достигать матрицы пептидогликана. Прототипом холина является белок S фага лямбда, который поддерживает белок R фага лямбда (лизин). Все холины встраиваются в клеточную мембрану и содержат по крайней мере два трансмембранных спиральных домена. Считается, что процесс образования отверстий достигается за счет олигомеризации холина в определенный момент, когда вирионы-потомки должны высвобождаться. [4] [12]
Эффективность
Лизины фагов обычно имеют вид или подвид, что означает, что они эффективны только против бактерий, из которых они были произведены. Хотя некоторые лизины действуют только на клеточные стенки нескольких бактериальных филотипов, были обнаружены некоторые лизины широкого спектра действия. [13] Также известны некоторые термостабильные лизины, что упрощает их использование в биотехнологии. [14] Что касается их использования в качестве антибактериальных агентов, было обнаружено, что лизины эффективны в основном против грамположительных бактерий, поскольку грамотрицательные бактерии обладают внешней мембраной, которая не позволяет внеклеточным молекулам лизина переваривать пептидогликан. [5] Однако лизины, обладающие активностью против грамотрицательных бактерий, такие как OBPgp279 , вызывают интерес как потенциальные терапевтические средства. [15]
Иммунная реакция
Одним из наиболее проблемных аспектов использования лизинов фагов в качестве противомикробных средств является потенциальная иммуногенность этих ферментов. В отличие от большинства антибиотиков, белки склонны к распознаванию и связыванию антител, а это означает, что лизины могут быть неэффективными при лечении бактериальных инфекций или даже опасны, потенциально приводя к системному иммунному ответу или цитокиновому шторму . Тем не менее, экспериментальные данные из иммунологически богатой кроличьей сыворотки показали, что гипериммунная сыворотка замедляет, но не блокирует активность пневмококкового лизина Cpl-1. [16]
Использование противомикробных препаратов
Лизины фагов были успешно протестированы на животных моделях для борьбы с патогенными устойчивыми к антибиотикам бактериями, обнаруженными на слизистых оболочках и в крови. Основным преимуществом лизинов по сравнению с антибиотиками является не только низкая бактериальная резистентность, но также высокая специфичность по отношению к патогену-мишени и низкая активность по отношению к нормальной бактериальной флоре хозяина . [5]
Lysins впервые был использован терапевтический у животных в 2001 году, в публикации , в которой мыши перорально колонизированы с Streptococcus Пирролидонилпептидаза была деколонизирована с одной дозой PlyC лизина доставлена перорально. [17]
Смотрите также
- Фаговая терапия
- Энзибиотики
- Лизоцим
- OBPgp279
- Lysibody
Рекомендации
- ^ Переса Dorado I, Кампильо NE, Monterroso B, Hesek D, Lee M, Паес JA, Гарсиа P, Мартинес-Риполь М, Гарсиа JL, Mobashery S, M Менендес, Эрмосо JA (август 2007). «Выяснение молекулярного распознавания бактериальной клеточной стенки модульным пневмококковым фагом эндолизином CPL-1» . J. Biol. Chem . 282 (34): 24990–9. DOI : 10.1074 / jbc.M704317200 . PMID 17581815 .
- ^ Висвесваран Г.Р., Дейкстра Б.В., Кок Дж. (Ноябрь 2010 г.). «Две основные архейные эндоизопептидазы псевдомуреина: PeiW и PeiP» . Археи . 2010 : 480492. дои : 10,1155 / 2010/480492 . PMC 2989375 . PMID 21113291 .
- ^ Quemin ER, Quax TE (5 июня 2015 г.). «Вирусы архей на клеточной оболочке: вход и выход» . Границы микробиологии . 6 : 552. DOI : 10,3389 / fmicb.2015.00552 . PMC 4456609 . PMID 26097469 .
- ^ а б Молодой Р. (сентябрь 1992 г.). «Лизис бактериофага: механизм и регуляция» . Микробиологические обзоры . 56 (3): 430–81. PMC 372879 . PMID 1406491 .
- ^ а б в г д Фишетти В.А. (октябрь 2008 г.). «Лизины бактериофагов как эффективные антибактериальные средства» . Текущее мнение в микробиологии . 11 (5): 393–400. DOI : 10.1016 / j.mib.2008.09.012 . PMC 2597892 . PMID 18824123 .
- ^ а б McGowan S, Buckle AM, Mitchell MS, Hoopes JT, Gallagher DT, Heselpoth RD, Shen Y, Reboul CF, Law RH, Fischetti VA, Whisstock JC, Nelson DC (июль 2012 г.). «Рентгеновская кристаллическая структура стрептококкового специфического фагового лизина PlyC» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 109 (31): 12752–7. Bibcode : 2012PNAS..10912752M . DOI : 10.1073 / pnas.1208424109 . PMC 3412044 . PMID 22807482 .
- ^ Бейкер Дж. Р., Лю С., Донг С., Притчард Д. Г. (октябрь 2006 г.). «Эндопептидазная и гликозидазная активности лизина бактериофага B30» . Прикладная и экологическая микробиология . 72 (10): 6825–8. DOI : 10,1128 / AEM.00829-06 . PMC 1610294 . PMID 17021237 .
- ^ Гарсия Э., Гарсия Дж. Л., Гарсия П., Аррарас А., Санчес-Пуэллес Дж. М., Лопес Р. (февраль 1988 г.). «Молекулярная эволюция литических ферментов Streptococcus pneumoniae и его бактериофагов» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 85 (3): 914–8. Bibcode : 1988PNAS ... 85..914G . DOI : 10.1073 / pnas.85.3.914 . JSTOR 31364 . PMC 279667 . PMID 3422470 .
- ^ а б в Лесснер М.Дж., Крамер К., Эбель Ф., Шерер С. (апрель 2002 г.). «С-концевые домены муреин-гидролаз бактериофага Listeria monocytogenes определяют специфическое распознавание и высокоаффинное связывание с углеводами клеточной стенки бактерий» . Молекулярная микробиология . 44 (2): 335–49. DOI : 10.1046 / j.1365-2958.2002.02889.x . PMID 11972774 .
- ^ Гарсиа П., Гарсия Дж. Л., Гарсиа Е., Санчес-Пуэллес Дж. М., Лопес Р. (январь 1990 г.). «Модульная организация литических ферментов Streptococcus pneumoniae и его бактериофагов». Джин . 86 (1): 81–8. DOI : 10.1016 / 0378-1119 (90) 90116-9 . PMID 2311937 .
- ^ Ван И.Н., Смит Д.Л., Янг Р. (2000). «Холины: белковые часы бактериофаговых инфекций». Ежегодный обзор микробиологии . 54 : 799–825. DOI : 10.1146 / annurev.micro.54.1.799 . PMID 11018145 .
- ^ Юнг П., Шуч Р., Нельсон Д., Фишетти В.А. (июль 2004 г.). «Идентификация широко активного литического фермента фага с летальной активностью против устойчивых к антибиотикам Enterococcus faecalis и Enterococcus faecium» . Журнал бактериологии . 186 (14): 4808–12. DOI : 10.1128 / JB.186.14.4808-4812.2004 . PMC 438584 . PMID 15231813 .
- ^ Плотка М., Качоровска А.К., Стефанская А., Морзиволек А., Фридйонссон О.Х., Дунин-Хоркавиц С., Козловски Л., Хреггвидссон Г.О., Кристьянссон Дж. К., Дабровски С., Буйницки Дж. М., Качоровски Т. (февраль 2014 г.). «Новый высокотермостабильный эндолизин бактериофага Ph2119 Thermus scotoductus MAT2119 с аминокислотной последовательностью, сходной с эукариотическими белками распознавания пептидогликана» . Прикладная и экологическая микробиология . 80 (3): 886–95. DOI : 10,1128 / AEM.03074-13 . PMC 3911187 . PMID 24271162 .
- ^ Бриерс Ю., Уолмаг М., Ван Пуйенбрук В., Корнелиссен А., Сененс В., Аэртсен А. и др. (Июль 2014 г.). «Созданные на основе эндолизина« Артилизины »для борьбы с грамотрицательными патогенами с множественной лекарственной устойчивостью» . mBio . 5 (4): e01379-14. DOI : 10,1128 / mBio.01379-14 . PMC 4161244 . PMID 24987094 .
- ^ Лёффлер Дж. М., Джуркович С., Фишетти В. А. (ноябрь 2003 г.). «Фаговый литический фермент Cpl-1 как новый противомикробный препарат при пневмококковой бактериемии» . Инфекция и иммунитет . 71 (11): 6199–204. DOI : 10.1128 / IAI.71.11.6199-6204.2003 . PMC 219578 . PMID 14573637 .
- ^ Нельсон Д., Лумис Л., Фишетти В.А. (март 2001 г.). «Предотвращение и устранение колонизации верхних дыхательных путей мышей стрептококками группы А с использованием литического фермента бактериофага» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 98 (7): 4107–12. Bibcode : 2001PNAS ... 98.4107N . DOI : 10.1073 / pnas.061038398 . PMC 31187 . PMID 11259652 .